神东地区侏罗纪煤中矿物的热转化特性*(3)
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【摘要】图4 煤灰的TG-DTG曲线Fig.4 TG-DTG courve of coal ash 2.3 热重实验分析 煤灰中的矿物在受热过程中会发生相应的相变,矿物之间也会发生反应或熔融等行为,这
图4 煤灰的TG-DTG曲线Fig.4 TG-DTG courve of coal ash
2.3 热重实验分析
煤灰中的矿物在受热过程中会发生相应的相变,矿物之间也会发生反应或熔融等行为,这些变化往往都伴随着吸热或放热的发生。因此,通过热分析曲线来探究神东煤灰受热过程中产生的热行为变化,进而分析煤灰中矿物发生的热转变行为。
图4所示为煤灰样品的TG-DTG曲线。由图4可以看出,煤灰样品在受热过程中失重主要分为两个阶段,其中快速失重阶段是由1 000℃左右开始,一直持续到1 200℃。根据2.2节XRD测试结果可以判断,在1 000℃~1 200℃温度区间内,失重主要是由硫酸盐类矿物分解生成CaO释放SO3气体引起[6]。该阶段样品失重量较大也反映了煤灰样品中硫酸盐类矿物含量较高。由灰成分分析也可以看出,煤灰样品中SO3质量分数达到11.59%,而CaO质量分数也高达20.44%,表明其中含有大量的硫酸盐和硫化物类矿物。由此可以推断在该温度区间发生的主要反应如下:
由图4还可以看出,1 200℃之后,TG曲线变化趋势明显变缓,直到升至最高设定温度,煤灰样品失重量并不是很大,但该段温度区间内也有少量失重发生,可能是由煤灰样品中所含的Na和K等碱金属矿物熔融挥发所致。图5所示为煤灰的DSC曲线。由图5可以看出,煤灰样品在1 000℃左右开始进入吸热阶段,温度高于1 000℃之后,煤灰中已经有部分矿物开始熔融而转变为液态,在矿物熔融过程中往往伴随着吸热效应的发生。另外,温度高于1 000℃之后,煤灰中的硬石膏开始分解,硬石膏的分解也是吸热过程。以上两个吸热过程叠加,在1 000℃~1 200℃温度区间,DSC曲线出现明显的吸热峰,峰值出现在1 165℃左右。由煤灰熔融性实验可知,此时样品基本已处于流动状态,整个灰渣体系中有大量液相存在,此时矿物之间相互作用产生的吸热和放热达到平衡。
图5 煤灰的DSC曲线Fig.5 DSC curve of coal ash
2.4 FactSage模拟结果
根据神东煤灰化学组成的主要成分,利用热力学分析软件FactSage的Equilib模块对煤灰中矿物含量随温度的变化情况进行模拟,结果如图6所示。由图6可以看出,在800℃之前,煤灰中的主要矿物成分为硬石膏、钠长石和钙铁榴石,次要矿物为石英、刚玉、方解石、赤铁矿、透辉石和透长石等。在850℃之前,煤灰中的各矿物成分含量基本没有发生变化,表明在此温度之前煤灰中的各矿物自身及矿物之间没有发生相互作用。温度升高至867℃时,煤灰中的石英会发生相应的晶型转变而成为磷石英。钙长石含量从1 000℃开始逐渐增加,到1 150℃左右钙长石含量达到最大,随后呈现快速下降趋势。钙铝黄长石从920℃左右开始形成,直到1 090℃左右其含量逐渐降低,此时,钙铝黄长石与硅灰石等其他煤灰成分相互作用形成了液相。硬石膏含量是从1 030℃左右开始逐渐降低,直到1 258℃消失。从液相曲线来看,煤灰样品在升温过程中液相开始形成的时间是900℃左右,当温度低于1 000℃时,煤灰液相曲线变化趋势较为平缓,1 000℃之后随温度升高煤灰渣体系中液相生成量呈现快速增加的趋势。在煤灰流动温度(FT)为1 130℃时,灰渣体系中液相成分占到50%以上,且煤灰样品在1 286℃时完全转变为液相。
从煤灰矿物热转化角度来看,FactSage模拟结果与XRD和热重分析结果基本一致,只是Fact-Sage模拟得到的含量较低的矿物如钙铁榴石、透辉石、透长石等在XRD分析中没有检测出来,可能是由于晶体结构不稳定或遭到破坏的原因。
图6 FactSage模拟煤灰中矿物随温度的变化Fig.6 Variation of coal ash minerals with temperature simulated by FactSage▲—Anorthite;▼—Gehlenite;●—Corundum;◆—Wollastonite;■—Calcite;—Anhydrite;—Albite—Andradite;—Hematite;○—Magnetite;◇—Diopside;□—Sanidine;—Quartz; —Tridymite;☆—Slag-liq
3 结 论
1)神东侏罗纪煤中的矿物主要有黏土矿物、碳酸盐矿物(方解石)、硫化铁类矿物(黄铁矿)、刚玉、石英和赤铁矿。
2)在815℃~1 000℃温度区间,煤灰中的矿物主要发生方解石分解、钙铝黄长石和硅灰石的形成反应;当温度高于1 000℃后,主要发生硬石膏的分解反应和钙长石的形成反应;在整个煤灰熔融过程中,首先起骨架支撑作用的是钙铝黄长石和硅灰石,最后是钙长石,随着钙长石熔融,煤灰渣体系因缺少支撑而发生熔融,进而表现流动等行为。
3)FactSage模拟结果与XRD和热重分析结果基本一致,实验煤灰受热过程中液相是在900℃左右开始形成,在1 286℃时完全转变为液相。
文章来源:《矿物学报》 网址: http://www.kwxbzz.cn/qikandaodu/2020/1112/381.html
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